锡铋黄铜及其生产工艺和生产锡铋黄铜的装置

摘要

本发明涉及一种金属材料，特指锡铋黄铜及其生产工艺和生产锡铋黄铜的装置。本发明锡铋黄铜，其中，包含有铜：57.0～63.0%，铋：2.0～4.2%，铁：0.01～0.70%，锡：0.10～0.60%，铅≤0.008%，X元素：0.2～1.2%及不可避免的杂质：≤2.5%，余量为锌，及其生产工艺和生产锡铋黄铜的装置。铋元素自身特性被普遍认为是铅的最佳替代元素，但是铋黄铜生产成本远比铅黄铜高，且生产铋黄铜的原材料以成分较纯的新金属为主，否则杂质高，就会出现熔铸开裂、退火断裂等现象。而在铅黄铜的生产中，普遍以再生铜的综合回收利用为主，因此使用铋黄铜替代铅黄铜虽然有利于健康和环保，达到物料的循环利用，节约成本。本发明锡铋黄铜在调整个元素含量后，可具有较好的切削性能。

权利要求

1.一种锡铋黄铜的生产工艺，所述锡铋黄铜包含有铜：57.0～63.0％，铋：2.0～

4.2％，铁：0.01～0.70％，锡：0.10～0.60％，铅≤0.008％，X元素：0.2～1.2％及不可避免的杂质：≤2.5％，余量为锌；

所述X元素为稀土、钙、铝、磷、硼及锂中的至少三种；

所述生产工艺具体工艺流程如下：

配料→熔铸→挤压→拉伸→退火→酸洗→拉拔校直抛光→成品检验包装，其特征在于：所述配料为50～55％的铋黄铜料、15～20％的普黄铜料，剩余为补料，所述补料包括有紫铜、电解锌、精铋及X合金；在熔铸过程中，将配料放入工频有芯感应炉内进行震动熔铸；

所述补料还包括有纯锡和/或铜铁合金；

所述普黄铜料为铜和锌的二元合金；

所述熔铸过程中还包括有冷却步骤，锡铋黄铜在熔铸后导出时进行冷却，冷却步骤共三步：第一步：将刚导出的锡铋黄铜段进行一次水冷；

第二步：将一次水冷后的锡铋黄铜段进行空冷，空冷至温度250℃～350℃；

第三步：将空冷后的锡铋黄铜段进行二次水冷，将温度降至常温。

2.一种如权利要求1所述锡铋黄铜的生产工艺所用的装置，包括有炉体，该炉体一侧设置有用于导出锡铋黄铜的石墨装置，其特征在于：所述石墨装置包括有石墨底座及安装在石墨底座内的石墨套，所述石墨套有若干个螺旋形的通孔；所述炉体一侧设置有驱动炉体震动的震动动力装置。

说明书

锡铋黄铜及其生产工艺和生产锡铋黄铜的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属材料，特指锡铋黄铜及其生产工艺和生产锡铋黄铜的装置。

背景技术

[0002] 铅黄铜具有良好的冷、热加工性能、易切削、价格低，因而被广泛应用于各种行业。但铅是一种有害的元素，铅黄铜在加工、使用过程中会脱出，进而对对环境和人体构成极大的危害，因而各国政府相继出台了对含铅铜合金应用的限令，铅黄铜的应用将面临严格的限制和挑战，因而开发无铅易切削铜合金来替代铅黄铜成为当今世界金属材料制造业的重大课题。

发明内容

[0003] 一、要解决的技术问题

[0004] 本发明的目的是针对现有技术所存在的上述问题，特提供一种锡铋黄铜及其生产工艺和生产锡铋黄铜的装置，该工艺在满足切削性能的同时，其原料成本较低，成材率高，客户机加工的铋沫回收后再次熔铸加工，不仅可提高其切削性能，同时可使稀有贵金属铋得到回收利用，避免无形流失。

[0005] 二、技术方案

[0006] 为解决上述技术问题，本发明锡铋黄铜，其中，包含有铜：57.0～63.0%，铋：2.0～4.2%，铁：0.01～0.70%，锡：0.10～0.60%，铅≤0.008%，X元素：0.2～1.2%及不可避免的杂质：≤2.5%，余量为锌。

[0007] 作为优化，上述X元素为稀土、钙、铝、磷、硼及锂中的至少三种。

[0008] 一种锡铋黄铜的生产工艺，具体工艺流程如下：

[0009] 配料→熔铸→挤压→拉伸→退火→酸洗→拉拔校直抛光→成品检验包装，其中，上述配料为50～55%的铋黄铜料、15～20%的普黄铜料，剩余为补料，上述补料包括有紫铜、电解锌、精铋及X合金；在熔铸过程中，将配料放入工频有芯感应炉内进行震动熔铸。

[0010] 作为优化，上述补料还包括有纯锡和/或铜铁合金。

[0011] 作为优化，上述X合金为稀土、钙、铝、磷、硼及锂中的至少三种。

[0012] 作为优化，上述普黄铜料为铜和锌的二元合金。

[0013] 作为优化，上述熔铸过程中还包括有冷却步骤，锡铋黄铜在熔铸后导出时进行冷却，冷却步骤共三步：

[0014] 第一步：将刚导出的锡铋黄铜段进行一次水冷；

[0015] 第二步：将一次水冷后的锡铋黄铜段进行空冷，空冷至温度250℃～350℃；

[0016] 第三步：将空冷后的锡铋黄铜段进行二次水冷，将温度降至常温。

[0017] 一种生产锡铋黄铜的装置，包括有炉体，该炉体一侧设置有用于导出锡铋黄铜的石墨装置，其中，上述石墨装置包括有石墨底座及安装在石墨底座内的石墨套，上述石墨套的若干个螺旋形的通孔；上述炉体一侧设置有驱动炉体震动的震动动力装置。

[0018] 三、本发明的有益效果

[0019] 铋元素自身特性被普遍认为是铅的最佳替代元素，但是铋黄铜生产成本远比铅黄铜高，且生产铋黄铜的原材料以成分较纯的新金属为主，否则杂质高，就会出现熔铸开裂、退火断裂等现象。而在铅黄铜的生产中，普遍以再生铜的综合回收利用为主，因此使用铋黄铜替代铅黄铜虽然有利于健康和环保，达到物料的循环利用，节约成本。

[0020] 本发明锡铋黄铜在调整个元素含量后，可具有较好的切削性能。

附图说明

[0021] 图1是本发明锡铋黄铜与C36000黄铜合金切削性能对比；

[0022] 图2是本发明锡铋黄铜放大100倍金相图；

[0023] 图3是本发明锡铋黄铜放大400倍金相图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作进一步说明：

[0025] 实施方式一至九：

[0026] 表1为发明实施例合金组分（wt%）

[0027]

[0028]

[0029] 表1将本发明合金分成三组，每组又分三小组进行元素组合。

[0030] 表1中的Ca、Al及P为X元素，此外，X元素为稀土、钙、铝、磷、硼及锂中的至少三种，加入X元素主要作用一是细化晶粒，阻止晶粒长大；二是与杂质中其它元素形成金属化合物，并使之均匀分布在晶内，防止在境界偏聚；三是除气、改善铸造金属流动性。

[0031] 稀土作为变质剂和精炼剂加入主要作用是细化晶粒、提高α相转变为β相的相变温度，扩大的热加工温度范围，改善了其热加工性能；同时可有效净化、去杂质，由于稀土对铅、硫等杂质元素具有较高的亲和力，可与之形成高熔点金属间化合物分布在晶内，消除了晶界上有害杂质，进而可减少后道加工时开裂倾向；稀土还可以辅助锡改善铋的分布状态，和铋形成高熔点化合物如BiCe，并多以块状分布于晶内，不仅可以改善铋带来的热脆性和冷脆性，和还可以切削性能，以镧铈基混合稀土效果较佳，加入量一般为0.05%～0.3%。

[0032] 钙的加入不仅可提高切削性能同时可与杂质硅等元素形成脆性化合物，防止杂质元素偏聚在晶界而产生脆断，同时钙与硅等元素形成的脆性化合均匀细小分布在晶内有利于断屑，可提高切削性能，加入量一般为0.02%～0.2%，过高铸造时容易产生疏松、夹杂等影响合金物理性能。

[0033] 铝主要是改善铸造时金属流动性，同时可提高材料热加工性能及提高材料的耐腐蚀性能。铝含量小于0.02%效果不明显，过高又影响材料塑性，优选0.02%～0.1%。

[0034] 磷主要作用是铸造时脱氧、增加金属的流动性，同时磷也可以辅助锡及稀土防止铋在晶界呈薄膜状分布，小于0.007%效果不明显，增加过多容易晶界偏析，加入量一般为0.007%～0.05%。

[0035] 硼主要细化晶粒，同时硼具有优良的抗脱锌腐蚀效果，当硼含量大于0.02%时将以硼化物夹杂形式析出，降低塑性，加入量在0.002%～0.02%为宜。

[0036] 锂主要是辅助磷脱氧，同时可防止铸造时产生气孔的缺陷，控制量一般为0.001%～0.1%范围内。

[0037] 锡的添加主要是改善铋的析出形态与分布状况，铋比较脆，并且一般以网状或薄膜状分布在晶界，因此含铋黄铜一般具有热脆性和冷脆性，而锡的加入会促使铋呈球状或块状分布于晶内或晶界，进而减少铋的有害影响。

[0038] 铁的添加作用是作为“人工晶核”细化铸锭组织，组织再结晶晶粒长大。

[0039] 一种锡铋黄铜的生产工艺，具体工艺流程如下：

[0040] 配料→熔铸→挤压→拉伸→退火→酸洗→拉拔校直抛光→成品检验包装，其中，上述配料为50～55%的铋黄铜料、15～20%的普黄铜料，该普黄铜料为铜和锌的二元合金，剩余为补料，上述补料包括有紫铜、电解锌、精铋及X合金，在整体成分比例还未达到指定标准的情况下添加补料，上述补料还包括有纯锡和/或铜铁合金；上述X合金为稀土、钙、铝、磷、硼及锂中的至少三种，本实施例一至九采用的是钙、铝和磷；在熔铸过程中，将配料放入工频有芯感应炉内进行震动熔铸。

[0041] 上述熔铸过程中还包括有冷却步骤，锡铋黄铜在熔铸后导出时进行冷却，冷却步骤共三步：

[0042] 第一步：将刚导出的锡铋黄铜段进行一次水冷；

[0043] 第二步：将一次水冷后的锡铋黄铜段进行空冷，空冷至温度约300℃；

[0044] 第三步：将空冷后的锡铋黄铜段进行二次水冷，将温度降至常温。

[0045] 一次水冷和二次水冷分开，在一次水冷和二次水冷分开之间通过空冷起到延缓作用，为提高效果，可利用电风扇或其他物理吹风设备对锡铋黄铜段进行冷却处理，主要作用是减缓过冷度，防止急速冷却而开裂。

[0046] 具体可表述如下：

[0047] 配料按每炉1000kg计算，具体配料为铋黄铜屑沫450kg，铋黄铜废梗125kg，H62（平均含铜量为62%的普通黄铜）刨花175kg，紫铜142kg，精铋8.5-12kg，剩余为电解锌，炉前成分可根据具体成分要求进行微量调整，采用工频有芯感应炉熔铸，并在1030℃下连续铸造成 140*450毫米圆柱形铸锭，具体成分见表1，铸锭加热到630～850℃后采用1250t挤压进行挤压，挤压线坯规格为 11.0毫米，拉伸到 10.6进行热处理，再次拉伸到 10.0成品，中间热处理温度为450～680℃。

[0048] 表2为发明实施例切削性试验

[0049]

[0050] C36000为世界公认切削性能最好铅黄铜，其切削性能被认定为100%，C36000切削的形态、大小和发明合金进行对比。

[0051] 屑沫形貌见图1所示。

[0052] 表3为发明实施例切削性能评定结果

[0053]合金 切削性指数
C36000 100%
合金一 ＞90%
合金二 ＞84%
合金三 ＞77%

[0054] 注：切削性指数=C36000的切削阻力÷各发明合金切削阻力×100%，各切削阻力是依据试验所测得的切削力平均值。

[0055] 可见，本发明的切削性可达传统铅黄铜C36000的77%～90%，切削性能优良。

[0056] 成品金相组织：

[0057] 如图2和3所示，对半硬态成品做金相分析，所开发的锡铋黄铜是有白色的α相和灰色的β相组成，平均晶粒度细小均匀，α相塑性好呈网状分布且多于硬而脆的β相，β相呈孤岛形式被α相分割，铋以颗粒的形式分布在晶界和相界上，此种结构形态能起到提高切削性能的作用。

[0058] 一种生产锡铋黄铜的装置，包括有炉体，该炉体一侧设置有用于导出锡铋黄铜的石墨装置，其中，上述石墨装置包括有石墨底座及安装在石墨底座内的石墨套，上述石墨套的若干个螺旋形的通孔，主要作用是铜液进入石墨套冷凝成型时是一种旋转的形式进入，能起到搅拌作用，使铜液中的杂质分布更加均匀，防止偏聚而造成脆性开裂；上述炉体一侧设置有驱动炉体震动的震动动力装置，主要作用是使整炉铜液处于震动状态，确保炉体内铜液成分均匀，避免比重大的铋、其它杂质元素不偏析。

[0059] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。